(57)【要約】【課題】  可撓性染料感応太陽電池を提供する。【解決手段】  可撓性金属よりなる導電性第１基板、導電性第１基板上に形成された導電性薄膜、導電性薄膜上に形成されたナノ粒子酸化物層、及びナノ粒子酸化物層上に吸着された染料分子を含む半導体電極を具備する太陽電池である。これにより、従来の可撓性太陽電池よりエネルギー変換効率を顕著に向上させうる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性金属よりなる導電性第１基板、前記導電性第１基板上に形成された導電性薄膜、前記導電性薄膜上に形成されたナノ粒子酸化物層、及び前記ナノ粒子酸化物層上に吸着された染料分子を含む半導体電極と、
可撓性光透過性高分子よりなる導電性第２基板、前記導電性第２基板上に形成された白金層を含む対向電極と、
前記半導体電極と対向電極との間に介在された電解質溶液と、を含むことを特徴とする染料感応太陽電池。
【請求項２】
前記導電性薄膜は、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）あるいはＦドーピングされた二酸化錫よりなることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項３】
前記導電性第１基板と前記導電性薄膜との間に絶縁薄膜あるいは半導体薄膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項４】
前記導電性第１基板は、ステンレススチール基板またはアルミニウム基板であることを特徴とする請求項１または３に記載の染料感応太陽電池。
【請求項５】
前記導電性第２基板は、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレートまたはポリエーテルスルホンよりなる高分子板上に導電性物質を塗布した基板であることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか１項に記載の染料感応太陽電池。
【請求項６】
前記導電性物質は、ＩＴＯあるいはＦドーピングされた二酸化錫であることを特徴とする請求項５に記載の染料感応太陽電池。
【請求項７】
前記ナノ粒子酸化物層は、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２またはＺｎＯ層であることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか１項に記載の染料感応太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池に係り、特にナノ粒子酸化物の半導体電極を有する染料感応太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
染料感応太陽電池は、シリコン太陽電池とは違って、可視光線を吸収して電子−ホール対（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ  ｐａｉｒ）を生成しうる感光性染料分子と、生成された電子を伝達する遷移金属酸化物とを主な構成材料とする光電気化学的な太陽電池である。これまで知られた染料感応太陽電池のうち、代表例として、スイスのＧｒａｔｚｅｌらによって発表されたものがある（特許文献１，２）。特許文献１，２による太陽電池は、染料分子が覆われたナノ粒子二酸化チタン（ＴｉＯ２）よりなる半導体電極、白金電極、そしてその間に充填された電解質溶液より構成されている。この電池は、既存のシリコン太陽電池に比べて電力当り製造コストが安いために、既存の太陽電池に替わる可能性があるという点で注目されてきた。
【０００３】
一般のナノ粒子酸化物の半導体電極は、導電性ガラス基板上にナノ粒子酸化物のコロイド溶液をコーティングして４５０ないし５００℃の電気炉で加熱することによって完成している。加熱の目的は、ナノ粒子酸化物の電気的接触の増大とコロイド溶液を製造する過程で添加した高分子を除去して光電気的性質を向上させることである。加熱温度である４５０ないし５００℃は比較的高温であるが、ガラス基板はこのような高温でも変形なしに使われうる材料である。しかし、ガラス基板の特性上、製造された太陽電池を曲げるということは不可能であるために、曲げる必要がある応用分野は排除されている実情であった。
【０００４】
可撓性染料感応太陽電池の開発研究は２０００年代以後その関心が高まっている分野である。現在までの研究結果を見れば、低温で揮発可能なエタノールのような溶媒にナノ粒子酸化物を分散して製造したコロイド溶液を塗布した後、１００℃内外の温度で熱処理圧縮してナノ粒子酸化物層を構成したものと、有機分散剤を使用して製造したコロイド溶液を塗布した後で紫外線照射と１００℃内外の温度での加熱とを並行して分散剤を除去することによって、ナノ粒子酸化物層を構成したものがある。しかし、上の研究は既存のガラス基板を使用する高温法による染料感応太陽電池に比べて非常に低い光転換効率（すなわち、エネルギー変換効率）を示している。
【０００５】
一方、先行技術として導電性金属材質でＴｉあるいはＺｎ金属基板上にナノ粒子酸化物層を構成した染料感応太陽電池は、優秀な光転換効率を示していると報告された（特許文献３）。
【特許文献１】ＵＳＰ４９２７７２１号明細書
【特許文献２】ＵＳＰ５３５０６４４号明細書
【特許文献３】ＥＰ１０９５３８７号号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、エネルギー変換効率が非常に優秀であり、かつ可撓性の染料感応ナノ粒子酸化物の太陽電池を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するための本発明の染料感応太陽電池は、可撓性金属よりなる導電性第１基板、前記導電性第１基板上に形成された導電性薄膜、前記導電性薄膜上に形成されたナノ粒子酸化物層、及び前記ナノ粒子酸化物層上に吸着された染料分子を含む半導体電極を備える。
【０００８】
ここで、前記導電性薄膜は、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）あるいはＦドーピングされた二酸化錫（ＦＴＯ）（ＳｎＯ２：Ｆ−ｄｏｐｅｄ）よりなることが望ましい。そして、前記導電性第１基板と前記導電性薄膜との間に絶縁薄膜あるいは半導体薄膜をさらに含めることがさらに望ましい。また、前記導電性第１基板は、ステンレススチール基板（ＳＵＳ）またはアルミニウム基板であることが望ましい。
【０００９】
本発明の染料感応太陽電池において、前記導電性第２基板は、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレートまたはポリエーテルスルホンよりなる高分子板上にＩＴＯあるいはＦドーピングされた二酸化錫（ＦＴＯ）のような導電性物質を塗布した基板でありうる。そして、前記ナノ粒子酸化物層は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化錫（ＳｎＯ２）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）層でありうる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明で提案する導電性第１基板を使用してナノ粒子酸化物層を形成し、導電性高分子第２基板に白金イオン溶液を還元して白金層を形成して可撓性染料感応太陽電池を製造すれば、従来の可撓性太陽電池に比べて光転換効率を大幅に向上させ、このような可撓性太陽電池は、ガラス基板に設けられた従来の非可撓性太陽電池に比べてエネルギー変換効率を顕著に低下させずとも、その応用性が多様で商業的に価値が大きいと期待されている。また、高分子板はガラス基板に比べて軽いために、太陽電池の軽量化を図れる。
【００１１】
また、本発明は、導電性金属としてＺｎあるいはＴｉ金属よりコスト面で優秀で、かつ購入が容易な金属材質を使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、次に例示する本発明の実施例は多様な他の形に変形でき、本発明の範囲が後述する実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。
【００１３】
（第１実施例）
図１は、本発明の実施例に係る可撓性の染料感応ナノ粒子酸化物の太陽電池の構成を概略的に示す図面である。
【００１４】
図１を参照すれば、本発明の実施例に係る可撓性太陽電池は、半導体電極１１０と、対向電極１３０と、これらの間に介在された電解質溶液１５０を含む。電解質溶液１５０は、漏れないようにｓｕｒｌｙｎ（デュポン社製品１７０２）のような熱可塑性高分子材料１６０で密封されうる。
【００１５】
前記半導体電極１１０は、可撓性金属よりなる導電性第１基板１１１上に導電性薄膜１１３を形成したものである。例えば、ステンレススチールに導電性物質でＩＴＯを約１０００〜２０００Å塗布したものでありうる。しかし、導電性第１基板１１１としては全ての金属を使用しうる。導電性薄膜１１３によって電解質溶液１５０を完全ではないが、導電性第１基板１１１の表面と遮断しうるからである。もちろん、経済性と資源の保有とを考慮すれば、鉄を主成分とするステンレススチールまたはアルミニウム基板を使用することが望ましい。
【００１６】
前記半導体電極１１０は、導電性薄膜１１３上に形成された５ないし１５μｍ厚さのナノ粒子酸化物層１１４を含み、前記ナノ粒子酸化物層１１４には、例えばＲｕ錯体よりなる染料分子が化学的に吸着されている。前記ナノ粒子酸化物層１１４は、二酸化チタン、二酸化錫または酸化亜鉛層よりなる。
【００１７】
本発明による構造の太陽電池は、ナノ粒子酸化物コロイド溶液を金属よりなる導電性第１基板１１１に塗布した後で加熱しても良いので、導電性第１基板として高分子材質のＰＥＴのような材質よりなる可撓性の他の従来の太陽電池に比べてエネルギー変換効率を顕著に向上させうる効果もある。
【００１８】
前記対向電極１３０は、可撓性光透過性高分子よりなる導電性第２基板１３２上に形成した白金層１３４を含み、白金層１３４が前記ナノ粒子酸化物層１１４と対向すべく置かれている。ここで、前記導電性第２基板１３２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、あるいはポリテレフタル酸エチレンとも称する）、ポリカーボネート（ポリ炭酸エステルとも称する）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、またはポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）のような透明な高分子板上にＩＴＯまたはＦドーピングされた二酸化錫（ＦＴＯ）のような透明導電性物質を塗布した基板である。ＰＥＴは、他の物質よりも耐熱性に優れ、かつ弾性回復が良く、耐水性があって本発明の実施に適した材料である。ポリカーボネートは、寸法安定性と光透過性とが良く、特に耐衝撃性に優れる。ポリエチレンナフタレートも耐水性、防湿性面で優秀なために、本発明の実施に利用されうる。
【００１９】
前記白金層１３４は、例えば、前記列挙した種類の高分子板を準備し、その上に５ｍＭ  ヘキサクロロプラチニウム酸（Ｈ２ＰｔＣｌ６・ｘＨ２Ｏ）水溶液を分散して乾燥して白金イオンを被せた後、白金イオンを被せた基板を６０ｍＭナトリウムボロハイドライド（ＮａＢＨ４）水溶液処理して白金イオンを白金に還元させ、蒸溜水で洗浄した後、乾燥させて形成しうる。
【００２０】
前記電解質溶液１５０は、ヨード系酸化−還元液体電解質、例えば０．８Ｍの１，２−ジメチル−３−オクチル−ヨウ化イミダゾリウム（１，２−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−３−ｏｃｔｙｌ−ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍｉｏｄｉｄｅ）と４０ｍＭのＩ２（Ｉｏｄｉｎｅ）を３−メトキシプロピオニトリル（３−Ｍｅｔｈｏｘｙｐｒｏｐｉｏｎｉｔｒｉｌｅ）に溶解させたＩ３−／Ｉ−の電解質溶液でありうる。
【００２１】
この実施例と同様に、導電性第１基板１１１に導電性第２基板１３２の導電性物質と同じ導電性薄膜１１３を塗布すれば、導電性第１基板１１１と導電性第２基板１３２との物質差による電圧差を解消でき、それによってエネルギー変換効率を高められる。
【００２２】
本発明に係る染料感応太陽電池の作動は次の通りである。
【００２３】
対向電極１３０の透明な導電性第２基板１３２を透過した光は、白金層１３４を通過してナノ粒子酸化物層１１４に吸着された染料分子が太陽光を吸収すれば、染料分子は基底状態から励起状態に電子転移して電子ホール対をなし、励起状態の電子はナノ粒子酸化物層１１４の伝導帯に注入される。ナノ粒子酸化物層１１４に注入された電子は粒子間界面を通じてナノ粒子酸化物層１１４に接している導電性第１基板１１１に伝達され、外部電線（図示せず）を通じて対向電極１３０に移動する。電子転移の結果で酸化された染料分子は電解質溶液１５０内のヨードイオンの酸化（３Ｉ−→Ｉ３−＋２ｅ−）により提供される電子を受けて再び還元され、酸化されたヨードイオン（Ｉ３−）は対向電極１３０に到達した電子により再び還元されて染料感応太陽電池の作動過程が完成される。
【００２４】
（第２実施例）
図２は、本発明の望ましい実施例に係る可撓性の染料感応ナノ粒子酸化物の太陽電池の構成を概略的に示す図面である。
【００２５】
図２を参照すれば、本発明の実施例に係る可撓性太陽電池は、半導体電極２１０と、対向電極２３０と、これらの間に介在された電解質溶液２５０を含む。電解質溶液２５０は漏れないように熱可塑性高分子材料２６０で密封されることができる。
【００２６】
前記半導体電極２１０は、可撓性金属よりなる導電性第１基板２１１上に絶縁薄膜あるいは半導体薄膜２１２を塗布した後、連続して導電性薄膜（ＩＴＯあるいはＦＴＯ）２１３を塗布した基板である。例えば、ステンレススチールに絶縁膜２１２としてＳｉＯｘを１０００〜２０００Å塗布し、連続して導電性薄膜２１３としてＩＴＯを１０００〜２０００Å塗布した基板でありうる。対向電極２３０と電解質溶液２５０は、第１実施例と同じである。
【００２７】
第１実施例と同様に、導電性薄膜１１３を導電性第１基板１１１上に塗布した場合も、導電性第１基板１１１上に塗布した導電性薄膜１１３で電解質溶液１５０を導電性第１基板１１１の金属から完全に遮断し難く、かつ電解質溶液１５０が、導電性第１基板１１１上に塗布された導電性薄膜１１３へ長期的に侵入して、導電性第１基板１１１の金属に到達して電圧差を誘発しうる。
【００２８】
したがって、本実施例と同様に、導電性第１基板２１１の金属上に電解質を完全に遮断できる絶縁薄膜あるいは半導体薄膜２１２を塗布した後で導電性薄膜２１３を形成すれば、導電性第１基板２１１と導電性第２基板２３２の物質差による電圧差を解消すると同時に長期的安定性も向上し、エネルギー変換効率も顕著に向上する。
【００２９】
（実験例）
前記第１及び第２実施例の方法によって太陽電池を製造した後、従来の太陽電池（ＥＰ  １０９５３８７など）と特性比較を実施した。図３は、本発明によって製造した可撓性太陽電池及び従来の太陽電池の光電流−電圧特性を示している。
【００３０】
電解質溶液としては、０．７Ｍ  １−ビニル−３−ヨウ化メチルイミダゾリウム、０．１Ｍ ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、０．０４Ｍ  Ｉ２そして０．１３Ｍ  ４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジン（４−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）を含む３−メトキシプロピオンニトリル溶液を使用した。図３において、実線（ａ）はＴｉ基板を使用する従来の太陽電池（ＥＰ  １０９５３８７）に関するものであり、破線（ｂ）は、従来の技術によってステンレススチールを第１導電性基板として使用した例に関するものであり、点線（ｃ）は本発明の第１実施例によって導電性第１基板１１１でステンレススチール、導電性薄膜１１３としてＩＴＯを使用した太陽電池に関するものであり、一点鎖線（ｄ）は本発明第２実施例によって導電性第１基板２１１としてステンレススチール、絶縁薄膜２１２としてＳｉＯｘ、そして導電性薄膜２１３としてＩＴＯを使用した太陽電池に関するものである。
【００３１】
図３から計算された光電気的特性結果は次の表１のようである。
【表１】
2005353588.tif 000003
【００３２】
図３及び前記表１によれば、導電性第１基板としてステンレススチールを使用した場合、可撓性でありつつ、約３％のエネルギー変換効率を示しているが、これはＴｉ基板を使用する場合より低い。しかし、本発明によれば、ステンレススチール基板でも３．９４％及び４．５８％のエネルギー変換効率が得られる。このような結果から、ステンレススチールに導電性薄膜及び絶縁薄膜を塗布することによって、課題を解決するための手段の説明と同様に、電解質溶液と導電性第１基板金属との接触を遮断してエネルギー変換効率を向上させうることが確認できる。
【００３３】
前述したように本発明は、染料感応太陽電池を構成している導電性第１基板として可撓性金属あるいは導電性物質が塗布された金属、あるいは絶縁（あるいは半導体）薄膜／導電性薄膜が塗布された金属を使用して、既存の可撓性高分子基板としては不可能であるナノ粒子酸化物層を高温法で構成するものであって、高温で形成されたナノ粒子酸化物薄膜は非常に安定的であり、曲げ動作による薄膜の変形及び剥離現象が発生しない。
【００３４】
以上、本発明を望ましい実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で当業者によって多様な変形が可能である。例えば、前記導電性第２基板として高分子基板の代わりに、非可撓性ではあるが導電性ガラス基板を使用して太陽電池を構成することはできる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明で製造された太陽電池は、既存の方法に比べて顕著にエネルギー変換効率を向上させ、かつ可撓性を有する。また、可撓性金属と金属上に非常に薄い薄膜の塗布とによって構成された本発明の可撓性太陽電池は、１ｍｍ以下の厚さに太陽電池を構成することによって、軽くてその応用性は非常に多様である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る可撓性染料感応太陽電池の構成を概略的に示す図面である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る可撓性染料感応太陽電池の構成を概略的に示す図面である。
【図３】図１及び図２のような染料感応太陽電池の光電流−電圧曲線である。
【符号の説明】
【００３７】
１１０、２１０      半導体電極
１１１，２１１      導電性第１基板
１１３、２１３      導電性薄膜
１１４、２１４      ナノ粒子酸化物層
１３０、２３０      対向電極
１３２、２３２      導電性第２基板
１３４、２３４      白金層
１５０、２５０      電解質溶液
２１２              絶縁薄膜あるいは半導体薄膜
【図１】
2005353588.tif 000004
【図２】
2005353588.tif 000005
【図３】
2005353588.tif 000006